(57)【要約】【課題】周囲光による影響が小さく、簡便な構成であり且つノイズの少ない可視光受信回路を提供する。【解決手段】本発明の一実施形態に係る可視光受信回路は、光電変換部１０を備える。光電変換部１０は、カソード側が電源Ｖｃｃに接続されたフォトダイオード１１と、該フォトダイオード１１のアノード側に直列に接続された抵抗器１２と、該抵抗器１２に並列に接続された非線形抵抗回路とを備える。非線形抵抗回路は、例えば、ツェナーダイオード１４と抵抗器１５とからなる直列回路を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定のバイアス電圧が印加された状態で動作し且つ入射光の光強度に応じて光電流を出力する受光素子と、該受光素子に直列接続された第１の抵抗素子と、前記受光素子及び前記第１の抵抗素子からなる直列回路に直流電圧を印加するとともに前記受光素子と前記第１の抵抗素子との接続点を出力位置とする光電変換部とを有する可視光受信回路において、
印加電圧が大きくなると抵抗値が小さくなる非線形抵抗回路を前記第１の抵抗素子に対して並列に接続した
可視光受信回路。
【請求項２】
複数の非線形抵抗回路が前記第１の抵抗素子に対して並列に接続された請求項１記載の可視光受信回路。
【請求項３】
前記非線形抵抗回路がツェナーダイオードと第２の抵抗素子とからなる直列回路を含む請求項１又は２記載の可視光受信回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可視光を用いて通信を行なう可視光通信システムにおける受信回路に関し、特に周囲光ノイズの影響を低減するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電波や赤外線を利用した無線通信に加えて、室内の照明器具，屋外広告照明，信号機，自動車のヘッドライトなどの可視光を利用した通信が注目されている。特に最近は、白色ＬＥＤの開発が盛んに行われ、その応用範囲は照明，車載用ランプ，液晶バックライト等多岐に亘る。この白色ＬＥＤは、例えば蛍光灯などの白色光源と比較して、オン／オフの切り替え応答速度が非常に速いといった特徴を持っている。そこで、データ伝送媒体としてＬＥＤによる白色光を用い、白色ＬＥＤの照明光にデータ伝送機能を持たせる可視光通信システムが提案されている。【０００３】
図８に従来の可視光通信システムにおける可視光受信装置１００の一般的な構成を示す。図８に示すように、可視光受信装置１００は、送信側が送信した信号光をアナログ信号に変換する光電変換部１１０と、変換後のアナログ信号を後段の二値化部１３０が認識できる信号レベルにまで増幅する増幅部１２０と、増幅部１２０によって増幅されたアナログ信号を後段のデジタル回路１４０が認識できるデジタル信号に変換する二値化部１３０とを備えている。なお、デジタル回路１４０としては、例えば通信制御回路などが該当する。【０００４】
図９に従来の可視光通信システムにおける光電変換部の一般的な構成を示す。図９に示すように、光電変換部１１０は、受光素子であるフォトダイオード１１１と、フォトダイオード１１１のアノード側に直列に接続した抵抗器１１２とを備えている。フォトダイオード１１１のカソード側は正電源Ｖｃｃに接続されており、抵抗器１１２はグランドＧＮＤに接続されている。フォトダイオード１１１と抵抗器１１２の接続点にはカップリングコンデンサ１１３を介して後段の増幅部１２０に接続されている。この光電変換部１１０では、フォトダイオード１１１に（正電源Ｖｃｃ−抵抗器１１２の端子間電圧Ｖｒ）で表される電圧が逆バイアスとして印加され、信号光の光強度に応じた光電流Ｉｐｄがフォトダイオード１１１に流れる。したがって、フォトダイオード１１１に印加される逆バイアス電圧Ｖｐｄは、（正電源Ｖｃｃ−抵抗値Ｒ×光電流Ｉｐｄ）で表される。抵抗器１１２は光電流Ｉｐｄを電圧変換するＩ／Ｖ変換器として機能するとともにフォトダイオード１１１にバイアス電圧を印加するバイアス抵抗として機能する。また、カップリングコンデンサ１１３により低周波成分が遮断され交流成分が光信号として後段の増幅部１２０に入力される。【０００５】
ところで、可視光通信においては、多くの場合、送信側から送られてくる信号光だけでなく、太陽光や照明用の白熱灯や蛍光灯などの周囲光がフォトダイオード１１１に入射する。この周囲光のうち太陽光はフォトダイオード１１１の光電流Ｉｐｄの直流成分として検出される。また送信側からの信号光も、プリエンファシスやプリバイアスの処理が行われている場合には、光電流Ｉｐｄの直流成分として検出される。このため強い太陽光が入射するような環境や送信側との距離が近い環境では、フォトダイオード１１１の光電流Ｉｐｄの直流成分が大きくなる。すると抵抗器１１２による電圧降下が大きくなる一方、フォトダイオード１１１に印加される逆バイアス電圧Ｖｐｄは小さくなる。これによりフォトダイオード１１１の動作に必要な逆バイアス電圧が確保できなくなり、通信エラーが生じる場合がある。【０００６】
このような問題を解決するためにＤＣフィードバック法やアクティブバイアス法が提案されている。例えば、特開２００６−５５９９号公報（特許文献１）には、ＤＣフィードバック法が提案されている。図１０にＤＣフィードバック法の基本的回路構成を示す。図１０に示すように、ＤＣフィードバック法では、受光素子２０１は電圧制御電流源２０２によりバイアスされている。また受光素子２０１の出力のうち、ＤＣカットコンデンサ２０３によって直流成分が除去された交流電流が増幅部２０４に供給されている。そして前記電圧制御電流源２０２は増幅部２０４の出力により電圧制御されている。これにより受光素子２０１に印加する逆バイアス電圧が一定に維持される。【０００７】
実開昭５６−０７１６４３号公報（特許文献２）にはアクティブバイアス法が提案されている。アクティブバイアス法では、図９における抵抗器１１２を、信号光の光強度により抵抗値が可変する素子（例えばＣｄｓ素子）に置き換えて回路が構成される。これにより、フォトダイオード１１１の光電流Ｉｐｄの直流成分が大きくなる場合にはＣｄｓ素子の抵抗値が小さくなるため、フォトダイオード１１１に印加する逆バイアス電圧が所定レベル以上に維持される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−５５９９号公報
【特許文献２】実開昭５６−０７１６４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし上記ＤＣフィードバック法ではアクティブ回路を用いているためノイズが大きくなるという問題がある。またＤＣフィードバック法では、フィードバック制御を用いているため、光電流Ｉｐｄの直流成分が大きくなるとフィードバックの時定数が小さくなり、低域遮断周波数が高くなる。つまり、ＤＣフィードバック法には、光電流Ｉｐｄの直流成分が大きくなると信号の周波数帯域が狭くなるという問題がある。さらにＤＣフィードバック法を実現する回路は部品点数が多く複雑な回路構成となるため、低コスト化や小型化が困難であるという問題がある。【００１０】
一方上記アクティブバイアス法ではフォトダイオード１１１だけでなくＣｄｓ素子にも信号光を入射させる必要があるため、素子の配置が極めて困難であり物理的設計の自由度が著しく低いという問題がある。特に、通信状況によって両素子の受光強度に差が生じないようにする必要があるため製品として採用するのは現実的でない。【００１１】
本発明の一実施形態は、周囲光による影響が小さく、簡便な構成であり且つノイズの少ない可視光受信回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の一実施形態は、所定のバイアス電圧が印加された状態で動作し且つ入射光の光強度に応じて光電流を出力する受光素子と、該受光素子に直列接続された第１の抵抗素子とを備え、受光素子及び第１の抵抗素子の直列回路に直流電圧を印加するとともに受光素子と第１の抵抗素子との接続点を出力位置とする光電変換部を有する可視光受信回路において、印加電圧が大きくなると抵抗値が小さくなる非線形抵抗回路を前記第１の抵抗素子に対して並列に接続したことを特徴とする。【００１３】
本発明の一実施形態によれば、受光素子に印加されるバイアス電圧は、受光素子及び第１の抵抗素子の直列回路に印加された直流電圧から、第１の抵抗素子と非線形抵抗回路とからなる並列抵抗の抵抗値に受光素子から出力される光電流を乗じたものを減じた値となる。ここで、第１の抵抗素子と非線形抵抗回路とからなる並列抵抗の抵抗値は、光電流の直流成分が大きくなると該直流成分が小さい場合よりも小さくなる。これは光電流の直流成分が大きくなると非線形抵抗回路の印加電圧が大きくなるためである。これにより、光電流の直流成分が大きくなった場合であっても受光素子に印加されるバイアス電圧を確保することができる。本発明の一実施形態において、非線形抵抗回路とは、端子間に印加する電圧と該電圧の印加により流れる電流との関係が非線形である回路、換言すれば端子間に印加する電圧によって抵抗値が可変する回路を意味する。【００１４】
また本発明の一実施形態によれば、第１の抵抗素子に並列して非線形抵抗回路を設けるだけでよいので簡便な構成且つ低コストで可視光受信回路を実現することができるとともに、ＦＥＴやバイポーラ・トランジスタや集積回路などの能動素子を用いることがないので低ノイズを実現することができる。【００１５】
なお本発明の一実施形態においては複数の非線形抵抗回路を第１の抵抗素子に対して並列に接続するようにしてもよい。これにより、受光素子に印加される逆バイアス電圧をより柔軟に制御することができる。【００１６】
上記非線形抵抗回路の一例としては、ツェナーダイオードと第２の抵抗素子との直列回路を含むものが挙げられる。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように本発明の一実施形態では、受光素子と直列に接続した第１の抵抗素子に対して非線形抵抗回路を並列に接続している。本発明の一実施形態において、この非線形抵抗回路は、能動回路ではなく受動回路であり、しかも少ない部品数でシンプルに構築することができる。これにより、簡便な構成であり且つノイズの少なく、さらに光電流の直流成分が大きくなった場合であっても受光素子に印加されるバイアス電圧を確保することができる可視光受信回路が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る光電変換部の構成図
【図２】フォトダイオードの光電流と逆バイアス電圧の関係を示すグラフ
【図３】本発明の他の例に係る光電変換部の構成図
【図４】フォトダイオードの光電流と逆バイアス電圧の関係を示すグラフ
【図５】本発明の他の例に係る光電変換部の構成図
【図６】フォトダイオードの光電流と逆バイアス電圧の関係を測定したグラフ
【図７】実施例に係る光電変換部の出力波形の一例
【図８】可視光受信装置の基本構成図
【図９】従来の光電変換部の構成図
【図１０】従来の光電変換部の構成図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の一実施形態に係る可視光受信回路について図面を参照して説明する。本実施の形態に係る可視光受信回路の基本構成は図８を参照して前述したものと同じである。本発明の一実施形態における特徴の１つは、光電変換部の回路構成である。以下に図１を参照して本発明の一実施形態に係る光電変換部について詳述する。図１は光電変換部の構成図である。
【００２０】
光電変換部１０は、図１に示すように、受光素子であるフォトダイオード１１と、フォトダイオード１１のアノード側に直列に接続した抵抗器１２とを備えている。フォトダイオード１１のカソード側は正電源Ｖｃｃに接続されており、抵抗器１２はグランドＧＮＤに接続されている。フォトダイオード１１と抵抗器１２の接続点にはカップリングコンデンサ１３を介して後段の増幅部２０が接続されている。フォトダイオード１１、抵抗器１２、及びカップリングコンデンサ１３の単体としての構成は、それぞれ対応する従来のものと同様である。
【００２１】
本発明の一実施形態において、抵抗器１２に対して非直線抵抗回路が並列に接続される。例えば、この非直線抵抗回路として、ツェナーダイオード１４と抵抗器１５とからなる直列回路を用いることができる。ツェナーダイオード１４のカソード側は、図１に示すように、フォトダイオード１１と抵抗器１２との接続点に接続され、抵抗器１５はグランドＧＮＤに接続される。これによりツェナーダイオード１４には逆電圧が印加された状態になる。周知のように、ツェナーダイオード１４は、降伏電圧以下の逆電圧を印加しているあいだは電流はほとんど流れず、降伏電圧を超えた逆電圧を印加すると大きな電流が流れる。換言すれば、ツェナーダイオード１４は、降伏電圧以下の逆電圧を印加しているあいだは高抵抗素子として機能し、降伏電圧を超えた逆電圧を印加すると低抵抗素子として機能する。また、降伏電圧以上の逆電圧を印加しているあいだは端子間電圧はほぼ一定の電圧（ツェナー電圧）となる。すなわち、ツェナーダイオード１４は、降伏電圧を超えた逆電圧を印加すると定電圧源として機能し、このときのインピーダンスはほぼゼロ（十分に小さい値）になる。一実施形態において、ツェナーダイオード１４の端子容量（接合容量，浮遊容量等）は、フォトダイオード１１の接合容量の１／５以下程度である。これはフォトダイオード１１の接合容量が回路の周波数帯域に影響するためである。
【００２２】
図１に示すように、フォトダイオード１１の逆バイアス電圧Ｖｐｄは、電源電圧Ｖｃｃ−電圧ＶＲと表される。電圧ＶＲは、抵抗器１２の抵抗値Ｒ１と、ツェナーダイオード１４と抵抗器１５とからなる直列回路の合成抵抗値（すなわち、ツェナーダイオード１４の抵抗値Ｒｚ＋抵抗器１５の抵抗値Ｒ２）と、の並列抵抗値に光電流Ｉｐｄを乗じたものである。この並列抵抗値は、ツェナーダイオード１４の抵抗値Ｒｚが十分に大きな値となっている場合には、抵抗器１２の抵抗値Ｒ１で近似することができる。一方、ツェナーダイオード１４の抵抗値Ｒｚが十分に小さな値となっている場合には、並列抵抗値は抵抗器１２の抵抗値Ｒ１と抵抗器１５の抵抗値Ｒ２との並列抵抗値で近似することができる。
【００２３】
したがって、フォトダイオード１１の光電流Ｉｐｄに対するフォトダイオード１１の逆バイアス電圧Ｖｐｄは図２に示すグラフのようになる。図２に示すように、光電流Ｉｐｄが小さい場合の傾きはＳ１であり光電流Ｉｐｄが大きい場合の傾きはＳ２である。傾きＳ１は抵抗器１２の抵抗値Ｒ１により定められる。また傾きＳ２は抵抗器１２の抵抗値Ｒ１と抵抗器１５の抵抗値Ｒ２の並列抵抗値により定められる。傾きの転換点はツェナーダイオード１４の降伏電圧により決定される。なお、ツェナーダイオード１４の抵抗値Ｒｚは降伏電圧の前後で大きく変化する。図２では、便宜のため、グラフの傾きが転換点においてＳ１からＳ２へ非連続的に変化するように描写されているが、実際の回路においてはこの傾きは連続的に変化する。したがって該転換点における動作上の不都合はない。
【００２４】
図２から明らかなように、フォトダイオード１１の光電流Ｉｐｄの最大値Ｉｐｄ（ｍａｘ）は、フォトダイオード１１を逆バイアスとして機能させるのに必要な最小逆バイアス電圧Ｖｐｄ（ｍｉｎ）により制限される。図２の点線は図９に示される従来の光電変換部１１０における光電流と逆バイアス電圧との関係を表す。図２に示すように、本実施の形態に係る光電流Ｉｐｄの最大値Ｉｐｄ（ｍａｘ）は、従来例における最大光電流Ｉｐｄ’（ｍａｘ）よりも大きくなる。よって、太陽光の強い環境下や送信側との距離が短い環境下などのようにフォトダイオード１１の光電流Ｉｐｄの直流成分が大きくなるような場合であっても、フォトダイオード１１の逆バイアス電圧Ｖｐｄが確保され、可視光受信回路を正常に動作させることができる。
【００２５】
このように本発明の一実施形態にかかる可視光受信装置によれば、フォトダイオード１１の動作に必要な逆バイアス電圧Ｖｐｄを、光電流Ｉｐｄの広い範囲に亘って確保できる。したがって光電流Ｉｐｄの直流成分に影響を与える周囲光が高強度であっても正常な通信状態を維持することができる。特に本発明の一実施形態においては、フォトダイオード１１の動作に必要な逆バイアス電圧Ｖｐｄを確保するための手段として、ツェナーダイオード１４と抵抗器１５の直列回路を抵抗器１２に並列に接続するという簡便な方法を採用してので低コスト化や小型化が容易である。また、発明の一実施形態において、光電変換部１０に能動部品を用いていないのでノイズの増大も防止できる。
【００２６】
本発明は、以上説明した本発明の一実施形態に限定されるものではなく、様々な変更を加えることができる。例えば上記実施の形態では、非線形抵抗回路としてツェナーダイオード１４と抵抗器１５とかるなる直列回路１組を抵抗器１２に並列接続したが、ツェナーダイオードと抵抗器からなる直列回路を複数準備し、これらの複数の直接回路をそれぞれ抵抗器１２に並列接続してもよい。例えば、図３に示すように、ツェナーダイオード１４’と抵抗器１５’とからなる他の直列回路をツェナーダイオード１４と抵抗器１５とかるなる直列回路及び抵抗器１２に並列接続するようにしてもよい。本発明の一実施形態において、ツェナーダイオード１４、１４’の降伏電圧を互いに異なる値にすることができる。図３に示す光電変換部１０における光電流Ｉｐｄと逆バイアス電圧Ｖｐｄの関係を図４に示す。傾きＳ１は抵抗器１２の抵抗値Ｒ１により定められる。また傾きＳ２は抵抗器１５の抵抗値Ｒ２により定められる。また傾きＳ２は抵抗器１２の抵抗値Ｒ１と抵抗器１５の抵抗値Ｒ２の並列抵抗値により定められる。また傾きＳ３は抵抗器１２の抵抗値Ｒ１と抵抗器１５の抵抗値Ｒ２との抵抗器１５’の抵抗値Ｒ３の並列抵抗値により定められる。
【００２７】
本発明の一実施形態に係る光電変換部１０において、図５に示すように、抵抗器１２を正電源Ｖｃｃ側に接続し、この抵抗器１２にフォトダイオード１１のカソード側を接続するとともにそのアノード側を接地してもよい。
【００２８】
本発明の一実施形態にに係る光電変換部１０において、ツェナーダイオード１１に代えてバリスタなどの他の非線形抵抗素子を用いてもよい。なお、バリスタには極性はないが、ツェナーダイオードのように端子間に印加する電圧によって非線形に電気抵抗が変化する素子であるため、ツェナーダイオード１１に代えてバリスタを用いた場合でもツェナーダイオード１１を用いた場合と同様の効果を得ることができる。
【００２９】
本発明の一実施形態において、フォトダイオード１１に代えてフォトトランジスタを用いることができる。
【実施例】
【００３０】
図６は、本発明の一実施形態に係る光電変換部１０におけるフォトダイオード１１の光電流Ｉｐｄと逆バイアス電圧Ｖｐｄの関係を実験により測定したグラフを示す。この測定は、図１に示す光電変換部１０において、抵抗器１２の抵抗値を５．１［ｋΩ］、抵抗器１５の抵抗値を０．５［ｋΩ］、コンデンサ１３の静電容量を０．１［μＦ］とするとともに、ツェナーダイオード１４として１Ｎ５２２７Ｂ、フォトダイオード１１としてＳ６４３６（端子間容量１５ｐＦ）をそれぞれ採用して行った。また、図６には、図９に示す従来品の光電変換部１１０における光電流Ｉｐｄと逆バイアス電圧Ｖｐｄとの関係を比較例として示す。測定に用いられた従来品の光電変換部１１０においては、抵抗器１１２の抵抗値を５．１［ｋΩ］、コンデンサ１１３の静電容量を０．１［μＦ］とし、フォトダイオード１１１としてＳ６４３６（端子間容量１５ｐＦ）を用いた。図６から、本発明の一実施形態に係る光電変換部１０では光電流Ｉｐｄの許容範囲が広いことが明らかにわかる。【００３１】
またこの光電変換部１０を用い、フォトダイオード１１に変調済みの信号光を入射させて光電変換部１０の出力波形を評価した。この出力波形が図７に示される。測定は、光源となる発光ダイオードを５０Ｍｂｐｓのランダムパターンで駆動し、この発光ダイオードからの信号光をフォトダイオード１１に入射させて行われた。このとき、光電流Ｉｐｄの変調電流が２［ｍＡ］、直流成分が２０［ｍＡ］となるように光源や周囲環境を調整した。このような条件において出力信号のＳＮＲをアイパターンにて評価した結果が図７に示されている。図７から明らかなように本実施例に係る光電変換部１０によって、ＳＮＲが十分に高く良好なアイパターンが形成される。このアイパターンから、本実施例に係る光電変換部１０は、ツェナーダイオード１４などのノイズの影響を受けておらず、簡便な構成ながら十分に実用的であることがわかる。
【符号の説明】
【００３２】
１０，１１０…光電変換部、１１…フォトダイオード、１２，１５，１５’…抵抗器、１３…カップリングコンデンサ、１４，１４’…ツェナーダイオード、１００…可視光受信装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2011061965.tif 000012
【国際調査報告】
2011061965.tif 000013
2011061965.tif 000014
2011061965.tif 000015
2011061965.tif 000016